Betonersatz mit erhöhter Säuretoleranz

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1 Betonersatz mit erhöhter Säuretoleranz Ein Ansatz Lösender Angriff auf Beton - Problemstellung - Ausgangssituation - Entwicklung und Verifizierung - Umsetzung Seite 2 1

2 Lösender Angriff auf Beton Lösender Angriff auf Beton kann durch verschiedene Faktoren erfolgen: - Säuren - Schwache, meist organische Säuren - Starke, meist anorganische Säuren - Bestimmte Salze - Magnesiumsalze - Ammoniumsalze - Komplexbildner - Wasser mit geringer Ionenstärke Seite 3 Herkunft der Säuren Säuren werden durch verschiedene Prozesse gebildet und in Wässer eingetragen. - Huminsäuren: Genauer Fulvosäuren, entstehen durch den Abbau organischen Materials, vorwiegend aus Cellulose und Lignin. - Kohlensäure: Aus der Reaktion von Kohlendioxid mit Wasser. - Schweflige Säure und Schwefelsäure aus der bakteriellen Oxidation von Schwefelwasserstoff. - Seite 4 2

3 Angriff durch Säuren Der Angriff durch Säuren erfolgt primär auf den Zementstein: - Schwache Säuren lösen Calciumhydroxid aus dem Zementstein. - Starke Säuren greifen neben dem Hydroxid auch Calciumsilikatphasen an. Es bilden sich lösliche Calziumsalze und Siliziumdioxid aus den CSH-Phasen. In beiden Fällen bildet sich eine fortschreitende Zerstörungsfront aus. - Zuerst wird der Zuschlag freigelegt. - Anschließend wird der Beton vollkommen zerstört. Seite 5 Beton mit lösendem Angriff Seite 6 3

4 Vorschädigung Der Abbau erfolgt nicht als Oberflächenreaktion: - Wasser mit den betonschädigenden Substanzen dringt in den Betonkörper ein. - Der Angriff auf den Betonstein beginnt innerhalb dieser Eindringzone. - Die Belastbarkeit des Betons ist schon in der Eindringzone geschwächt. - Die effektiv geschädigte Zone ist wesentlich größer als der Abtrag alleine und von außen nicht abzuschätzen. Seite 7 Vorschädigungszone Seite 8 4

5 Ausgangssituation - Die Notwendigkeit der Entwicklung von Betonen mit erhöhter Säureresistenz ist seit langer Zeit bekannt. - Bekannte betontechnologische Verfahren sind: > Einsatz von latent hydraulischen Komponenten im Bindemittel > Zement mit erhöhter Sulfatresistenz > Die Verwendung von säureunlöslichen Zuschlägen > Die Verwendung von säurelöslichen Zuschlägen > Bindemittel die das Porenvolumen bzw. die Kapillarität reduzieren > Maßnahmen die die Wasseraufnahme reduzieren Seite 9 Betonersatzsysteme Aufgabe war ein Betonersatzsystem zu entwickeln - Einsatz als Betoninstandsetzungsmaterial / Beschichtungsmaterial > Trockenspritzverfahren > Nassspritzverfahren > Händische Verarbeitung - Einsatz als Mörtel für Mauerwerk Für Bereiche die eine erhöhte Säuretoleranz benötigen. Seite 10 5

6 Besondere Anforderungen Dünnschichtige Betonersatzmaterialien müssen Anforderungen erfüllen die bei Beton keine Rolle spielen: - Haftzugsfestigkeiten in den verschiedenen Lagerungsarten - E-Modul muss Grenzwerte erfüllen. - Die Anforderungen an Quellen und Schwinden sind bei Verbundmaterialien wichtig. Für die Festlegung der Randbedingungen wurde die DIN EN 1504 / 3 zugrunde gelegt. Die Säurefestigkeit wird nach verschiedenen Verfahren geprüft. Seite 11 Lösungsansatz Für den Mörtel wurde folgender Ansatz gewählt: - Bindemittel: Zement mit erhöhter Sulfatresistenz - Latent hydraulische Komponenten: Zwei verschiedene Fraktionen - Zuschlag: Gemisch aus quarzitischen und karbonatischen Gesteinen - Modifikation: Hydrophobierendes Dispersionspulver - Zusatzmittel zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit Grösstkorn: 2 mm W/Z-Wert: < 0,45 Die Haftbrücke verfügt über die entsprechende Ausstattung Seite 12 6

7 Mechanische Daten MPA Hannover, CLZ Druckfestigkeit: Biegezugsfestigkeit: Haftzugsfestigkeit: Karbonatisierung: E-Modul (stat): Frosttauwechsel (50): Kapillare Wasseraufn.: > 50 Mpa > 11 Mpa > 3 Mpa ca. 72% gegen Referenzbeton ca. 20,5 Gpa > 2 Mpa 0,055 kg/qm* h Seite 13 Bestimmung der Porendurchmesser Universität Rostock Porenvolumen nach 28 Tagen Gesamtporenvolumen: 7,5 % Saugfähige Poren: 0,7 % 0,03 30 µm Nicht saugfähige Poren: 6,1 % 0, ,03 µm Seite 14 7

8 Bestimmung der Porendurchmesser Universität Rostock Seite 15 Versuch gemäß Hamburger Sielbaurichtlinie TU Hamburg Harburg Bei diesem Versuch werden Probekörper aus dem betreffenden Material in Säurebäder gelegt um die Auswirkungen der Säure auf den Mörtel zu beobachten. Die Säurekonzentrationen sind so hoch gewählt dass immer ein Abtrag des zementären Mörtels zu erwarten ist. Ausgewertet werden nach Ablauf der vorgegebenen Einlagerungszeit die Restdruckfestigkeit und die verbleibende Menge des Probeguts. Bedingungen: Einlagerung in Säure mit ph 1 für 70 Tage, bei ph 0 für 14 Tage. Die Lösungen werden mindestens täglich durch frische Säure ergänzt und die Lösung ständig mit dem Magnetrührer bewegt. Anschließend wird die Korrosionsschicht entfernt und die Probe ausgewertet. 8

9 Zu Vergleich: PCC-Mörtel Versuch gemäß Hamburger Sielbaurichtlinie Die Ergebnisse nach dieser Richtlinie lauten: Restdruckfestigkeit im Vergleich zur Wasserlagerung nach ph 0 beträgt 67,7 % (Grenzwert min. 55%) Restdruckfestigkeit im Vergleich zur Wasserlagerung nach ph 1 beträgt 84,4 % (Grenzwert min. 75%) Berechnete Korrosionstiefe nach ph 0 beträgt 3,4 mm (Grenzwert max 5,2 mm) Berechnete Korrosionstiefe nach ph 1 beträgt 1,7 mm (Grenzwert max. 2,7 mm) Beobachtet und gemessen beträgt die Abtragstiefe nach ph 0 2,4 mm und nach ph 1-0,2 mm 9

10 Bestimmung der Beständigkeit bis ph 3 Protonenverbrauchsverfahren: - Probekörper aus dem zu untersuchenden Material werden in die Säure eingelagert. Durch den Angriff auf das Bindemittel wird Säure verbraucht, der ph-wert steigt. - Durch eine ständige ph Kontrolle wird die Säure auf den gewünschten ph-wert ergänzt und der Verbrauch an frischer Säure aufgezeichnet. - Es handelt sich praktisch um eine ph-stat Titration. - Anschließend wird der Protonenverbrauch bis zur völligen Auflösung an einer neuen Probe bestimmt. - Daraus wird die Schädigungstiefe errechnet. Messeinrichtung 10

11 Messzelle Protonenverbrauch 11

12 Schädigungstiefe Ergebnis Das bedeutet also daß nach 4000 Stunden das entspricht 170 Tagen - bei ph 3 eine Schädigungstiefe von ca. einem Millimeter erreicht ist. Der weitere Fortschritt der Schädigung verlangsamt sich dann. Zum Vergleich kann man die Kurven eines Referenzbetons verwenden: 12

13 Protonenverbrauch Referenzmörtel Seite 25 Referenzmörtel Die als Referenz verwendete Rezeptur erfüllt bis auf das Größtkorn die Anforderungen der Betonnorm an einen XA 3 Beton: - W/Z max. 0,45 - Min. 320 kg Zement pro Kubikmeter - Festigkeitsklasse C 35/45 - Es muss HS-Zement verwendet werden. Seite 26 13

14 Auswertung Als Anforderungen für die Einstufung nach XA 3 wurden in den Entwürfen für die Norm aufgenommen: - Maximale Schädigungstiefe für ph 4: 1,05 mm nach 4000 Stunden - Der Referenzmörtel zeigt hier eine Schädigungstiefe von 1,57 mm IMA 2 zeigt unter diesen Bedingungen eine Schädigungstiefe von 0,48 mm - Die Anforderung für ph 4 wird selbst bei ph 3 erreicht! Mauerwerk, Grenz ph Als Grenzwert für die Schädigungstiefe wird angenommen dass 0,9 mm pro 4000 Stunden schadfrei bleibt. Die wurde daraus geschlossen dass bis ph 4,5 konventionelle Mauermörtel mit hohem Bindemittelgehalt und HS-Zement stabil bleiben und sich bewährt haben. Aus der Messung der Schädigungstiefe bei ph 4 und ph 3 kann man berechnen bei welchen Bedingungen der untersuchte Mörtel stabil bleibt. Die zeichnerische Ermittlung des phgrenz ergibt einen Wert von 3,08. Seite 28 14

15 Achsentitel Grenz ph -Wert 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20-0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 ph Seite 29 Chloridmigration MFPA Leipzig Die charakteristische Porenstruktur des Mörtels führt dazu dass die Chloridmigration außerordendlich langsam verläuft. Der Chloridmigrationskoeffizient wurde gemäß dem entsprechenden BAW Merkblatt, Ausgabe 2012 bestimmt. Als Anforderung für die Expositionsklassen XS 3, XD 3 wurde formuliert: - Durchschnittswert: 5,0 * 10^-12 m/s - Grösster Einzelwert: 7,0 * 10^-12 m/s Der hier erreichte Wert liegt bei ca. 1 * 10^-12 m/s (MFPA Leipzig) Seite 30 15

16 Chloridmigration Seite 31 Umsetzung in die Praxis 16

17 Applikation: Seite 33 Seite 34 17

18 Seite 35 SAKRET GmbH Osterhagener Str Bad Lauterberg Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) info@sakret-ndh.de 18